g-C3N4的改性、结构调控及光催化性能研究

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1、第一章石墨相氮化碳的制备方法和表征手段分类号：TQ032学校代码：10697密级：公开学号：201510145博士学位论文DOCTORALDISSERTATIONg-C3N4的改性、结构调控及光催化性能研究学科名称：化学工程作者:马永宁指导老师：樊君教授西北大学学位评定委员会二〇一八年1ModifyandStructureControltostudythePhotocatalyticPerformanceofg-C3N4AdissertationsubmittedtoNorthwestUniversityinpartialfulfillmentoftherequirements

2、forthedegreeofDoctorofPhilosophyinChemicalTechnologyByYongningMaSupervisor:JunFanProfessorJune2018摘要摘要随着现代工业的高速发展，能源危机和环境问题成为可持续发展中的最大危机，同时也是现在亟待解决的两个关键问题。随着环境问题的加剧，酸雨问题也呈现出愈演愈烈的趋势，全球每年在由于酸雨导致的在防腐领域消耗大量的人力物力来延缓钢铁的腐蚀。为了解决以上问题，光催化技术由于采用了取之不尽用之不竭太阳能来提供能源、降解环境中的有机染料，被认为是最有效的，且从根源上解决能源和环境问题的最佳手段。

3、光催化剂是光催化技术中的关键因素，传统的以TiO2为代表光催化剂具有价格便宜、无毒无害、稳定性好等优点受到关注，然而其缺点也比较明显，如禁带宽度大且只能吸收紫外光等缺陷限制了其在光催化领域的应用。为了克服传统的光催化剂的缺陷，王心晨教授首次报道了g-C3N4光催化剂在可见光照射下其依然具有较好的光催化性能，为此g-C3N4光催化剂的研究拉开帷幕。然而原始的CNB光催化剂由于光生电子和空穴复合率高、内阻过大以及比表面积小等缺陷不利于光催化反应。为了克服g-C3N4光催化剂的以上缺陷，本文首先将CNB剥离成CNN以减少载流子的传输距离来提高其光催化性能。其次采用导带电势较高点的光催

4、化剂与剥离成CNN的光催化剂构建异质结来抑制光生电子和空穴的复合。最后通过控制Ag纳米颗粒在CNN和少层WS2异质结中的位置来提高光催化性能。具体研究内容如下：（1)分别将二维层状材料堆积而成的CNB光催化剂和块体WS2光催化剂剥离成少层甚至单层样品后，分别将其应用于光催化分解水制氢，结果表明剥离后的CNN和少-1-1-1层WS2的制氢速率分别从块体的30.57μmolh和3.80μmolh提高至35.32μmolh和-14.38μmolh。说明将块体样品剥离后有利于体相中的激发电子转移至表相用于分解水制氢。随后又分别将Ag纳米颗粒负载至CNN和WS2表面应用于分解水制氢，其制

5、氢-1-1速率有进一步提升至53.69μmolh和21.34μmolh，是纯样品的1.52倍和2.36倍，表明Ag纳米颗粒可以有效抑制光生电子和空穴的复合，从而其制氢速率大幅提高。最-1后将剥离后的WS2与剥离后的g-C3N4复合，制氢速率由纯g-C3N4的30.57μmolh提-1升至45.81μmolh，表明复合后的少层WS2也可以抑制光生电子和空穴的复合从而提高光催化分解水制氢速率。（2)通过Ag纳米颗粒的位置来调控剥离后的CNN和少层WS2的结构来提高光催化性能。分别将Ag纳米颗粒插层至CNN和少层WS2的层与层之间制备出夹层结构的二I西北大学博士学位论文维光催化异质结

6、和Ag纳米颗粒负载CNN和WS2的异质结，通过光催化分解水制氢和降解NO性能来研究其光催化性能，结果表明Ag纳米颗粒插层的样品的光催化性能优于负载结构，且插层结构和负载结构样品的稳定性都比较好，可以循环使用。在制氢过程中激发电子是主要的活性物种，通过插层结构的控制后，可以有效抑制光生电子和空穴的复合，同时还可以提高吸光性能和催化剂表面对被降解物的吸附性能，因此样品的光催化性能改善是理所当然的。（3)分别制备出了Fe2O3颗粒插层CNB样品和Fe2O3颗粒负载CNN样品的光催化剂，采用光催化降解RhB来评价其光催化性能。结果表明Fe2O3颗粒负载CNN样品的吸附性能比较优秀，且最

7、终降解率达到95%左右，然而该样品的稳定性比较差，在经过五次循环实验后其降解率的呈现出加速的降低的趋势，主要是由于负载的Fe2O3颗粒解离后进入到溶液中不能抑制光生电子和空穴的复合。而Fe2O3颗粒插层的样品虽然最终降解率不如负载样品，然而其稳定性比较好，在经过五次循环实验后其最终降解率变化不大。（4)首先研究了光催化反应后插层至g-C3N4层与层之间的Fe2O3颗粒的存在状态，通过XPS表征后发现其被还原成Fe单质，表明g-C3N4导带中的激发电子可以将Fe2O3颗粒还原成Fe单质。随后又